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Harding (1872) apud Bezerra (2001), construiu na Região Las Salinas no Chile, um grande destilador que durante 25 anos consecutivos produzia diariamente 23 mil litros de água destilada. Cem anos depois, foi feita a comemoração desta instalação de destilação solar, fato ocorrido em Antofagasta no Chile, ocasião em que foi criada a ASSOCIAÇÃO LATINO- AMERICANA DE ENERGIA SOLAR.

Em 1920 o Japão destilava águas do mar (Macedo, 1996) e durante a Segunda Guerra foi desenvolvido um kit para sobrevivência dos soldados, que era capaz de dessalinizar pequenas quantidades de água do mar por meio da energia solar (Spiegler apud Macedo, 1996).

No Brasil, algumas experiências com destilação solar foram realizadas em 1970, sob os auspícios do ITA- Instituto Tecnológico da Aeronáutica, em São José dos Campos (Dacach, 1990).

Dacach (1979) propôs o uso do destilador solar para resolver o problema da salinidade da água em localidades onde não existe água potável. Em seu livro, ele cita exemplo de países que usam a água marinha para se abastecer dessalinizando-a por meio do destilador solar.

Garcias (1985) testou o uso da destilação solar para obtenção de água potável da água do mar. Para tanto, foram implantados 16 módulos de destilação solar convencional na comunidade de Tibicanga, localizada na Ilha das Peças na Baia de Laranjeiras, Município de Guaraqueçaba. A comunidade (de 132 habitantes na época) era formada por pescadores e tinha carência de água potável.

Cada módulo de destilação possuía área de 10 m2, perfazendo uma área total de 160 m2. O vidro utilizado na cobertura tinha 3 mm de espessura e operava-se com uma lâmina de água de 0,03 m e ângulo de inclinação de 20 º. A água a ser dessalinizada era água do mar bombeada por bomba do tipo pistão, a qual era conduzida a um reservatório com capacidade para 500 L, de forma que a alimentação dos destiladores era feita por gravidade. O sistema também recebia água de chuva, de modo a aproveitar mais esse recurso hídrico. Os módulos eram montados em paralelo e o sistema operava de forma contínua para água destilada.

Nesse trabalho, Garcias (1985) analisou amostras de água antes da destilação e de água destilada para determinar a remoção dos sais e demais contaminantes à água potável. Os resultados apresentaram remoções de sais superiores a 99 %. Os valores médios para alcalinidade, dureza total e pH na água destilada obtidos foram de 5,33 mg/L CaCO3, 4,50

mg/L CaCO3 e 5,33. A concentração de cloretos foi de 0,93 mg/L Cl-. Observou-se aqui que

a concentração final de sais na água destilada independia de sua concentração na água original, motivo pelo qual não analisou-se a eficiência dessas remoções. Além disso, esses valores variaram bastante ao longo do período de estudo. Como conclusões, ficou evidenciado que o processo de destilação reduz excessivamente o teor de sais na água e que devem ser intensificados os estudos no sentido de aprimorar os modelos procurando soluções mais econômicas e de maior produtividade, além de se procurar determinar a permanência ou não de metais pesados e outros elementos tóxicos nessas águas após a destilação.

Toyama et al. (1987), desenvolveram o trabalho “Dynamic Charactereristics of a

Multistage Themal Diffusion Type Solar Distillator”, que trata de um estudo teórico prático, onde os pesquisadores simularam as condições de operação do destilador multi- estágio,através de testes de laboratório em uma planta contendo 5 estágios de 1 m2 de área e em campo através de uma pla nta com 10 estágios de 3 m2 de área. O objetivo era desenvolver um modelo computacional que pudesse predizer os rendimentos e os parâmetros físicos envolvidos. Estes autores constaram que as perdas de calor e vazamentos existentes eram desprezíveis. O modelo matemático por eles desenvolvido é composto por equações diferenciais de primeira ordem, as quais foram resolvidas usando o método de Runge-Kutta. O modelo de laboratório foi aquecido por meio de lâmpadas. Os testes de campo foram conduzidos em Okinawa (Japão), onde a temperatura ambiente sofreu uma variação entre 21,6 a 22,9 ºC, e os índices de radiação variaram entre 125 W/m2 _{das 16 às 17 h e 779 W/m}2 _{das 13}

às 14 h. Os modelos computacionais se adequaram aos dados experimentais.

Tiwari e Singh (1991) derivaram uma expressão analítica para um destilador solar

multiwick (do tipo mecha) e otimizaram sua operação no tocante a vazão de alimentação e disposição dos tubos perfurados (Figura 8). A inovação nesse trabalho é o uso de fibra plástica como material construtivo, além do controle das vazões de alimentação da água a ser destilada. O sistema opera em regime permanente tanto para alimentação como para as saídas de destilado e resíduo. O trabalho teve por base experimental os resultados pesquisados por Tiwari e Salim. O equipamento pesquisado é composto por cobertura de duas águas de vidro e sistema de tubos perfurados para alimentação. A superfície de evaporação é feita em tecido de juta preto, onde a água a ser destilada percola e umidifica formando um filme capilar.

Figura 8: Destilador solar multiwick estudado por Tiwari e Sing (1991) Foram admitidas as seguintes hipóteses na construção da expressão analítica: - as capacidades caloríficas do vidro e da água são desprezíveis;

- a relação de Dunkle é válida devido as superfícies paralelas da água e do vidro no sistema fechado.

Os problemas advindos desse tipo de operação foram:

- o tecido ficava seco durante as horas de pico da radiação solar devido a ação capilar; - havia desperdício de água quente nas horas iniciais e finais do dia de operação.

Para resolver esses problemas providenciou-se o aumento da coluna de água no reservatório nas horas de pico e mudanças na conexão do sistema de purga do excesso de água.

A expressão analítica (ver Equação (23)) desenvolvida baseou-se nos fatores climáticos e balanço de energia, bem como os efeitos do fluxo de massa e dos coeficientes de transferência de calor.

(dT

/dx)+

aT

=

f(t)

Na equação (23) f(t) é uma função da intensidade da radiação solar, do coeficiente global de transferência de calor, da absortividade da superfície negra e da temperatura ambiente instantânea. E o parâmetro é dado pela Equação (24):

(

)

c

m

h

U

b

a=

+

U (W/m²ºC) é o coeficiente global de transferência de calor; b (m) é a largura da base do destilador;

mw (kg/s) é o fluxo mássico da água e

cw (J/kgºC) é o calor específico da água.

Devido à modificação proposta nos sistema de controle de vazão de alimentação no destilador, observou-se um aumento na eficiência térmica do equipamento. Os resultados teóricos tiveram boa concordância com os resultados obtidos por Tiwari e Salim.

Macedo (1996) fez um trabalho de pesquisa procurando avaliar os melhores métodos para tratamento de águas com altas concentrações de cloretos tanto do ponto de vista técnico quanto econômico. A destilação por evaporação solar foi citada como alternativa viável. Em seu trabalho é destacado que os métodos de dessalinização também poderiam ser empregados na desmineralização de águas efluentes de processos industriais que se destinam ao reuso, o que proporcionaria economia em termos de quantidade de água consumida, prevenindo sobretudo em área de conflitos e escassez própria dos períodos de estiagem e oferecendo maior proteção em termos de qualidade das águas para corpos receptores.

Macedo sugere a rotação na superfície receptora continuamente de modo a manter a incidência da radiação solar sempre normal à mesma. Esse expediente proporciona aumento na captação de energia. Ele destaca ainda que as perdas de energia dependem das condições metereológicas, como irradiação, temperatura do ar, velocidade dos ventos e do projeto do evaporador. Incluídos nesse item tipo de material, forma e orientação do evaporador e profundidade da camada a evaporar, que afeta a variação diária da temperatura da água salina, o que tem influência decisiva nas perdas. A destilação solar tem sua maior aplicação na dessalinização de águas marinhas.

Melo (1997) fez uma detalhada revisão bibliográfica sobre os diversos tipos de destiladores, que utilizassem energia solar ou não e descreveu o destilador solar atmosférico do tipo regenerativo, o qual poderia ser aquecido por coletores solares. Esse tipo de destilador usa o princípio do filme capilar em tecido, assemelhando-se ao tipo de destilador mecha. O principal foco desse trabalho foi o cálculo das Relações de Economia (RE), utilizadas para determinar a viabilidade econômica do processo de destilação.

Em 1997, Fuentes e Roth utilizaram a destilação a vácuo (um trabalho teórico) para dessalinização de águas salobras e compararam os resultados com a destilação em bandeja simples. Verificaram rendimentos superiores a 60 % e conseguiram anular o efeito da transferência de calor por convecção. A redução da transferência de calor por convecção do ar permite a obtenção de altos rendimentos de destilação em cada uma das bandejas. Visto que, ao eliminar a convecção, só participam do processo de transferência de calor a evaporação e a radiação, de modo que nas vizinhanças, as condições de saturação da água, a eficiência do destilador é próxima de 1. O modelo matemático desenvolvido prevê uma grande fração de transferência de calor por evaporação-condensação (calor latente). Finalmente, a destilação da água em uma torre de bandejas em vácuo com energia solar prediz uma produção de destilado cerca de 20 vezes maior que a produção dos destiladores solares à pressão atmosférica.

Montero et al. (2000) estudaram o uso da energia solar para melhoria na qualidade de vida de uma comunidade de baixa renda. Entre os projetos propostos, estava a destilação solar para o abastecimento de água da comunidade em unidades individuais para cada família. O equipamento a ser instalado deveria ter 8 m2 de superfície de destilação, isolamento de 0,05 m em poliestireno expandido e deveria ser capaz de fornecer 15,2 L/d no inverno e 30,4 L/d no verão, sendo que a radiação solar na região varia entre 13,5 MJ/m2d no inverno a 25,5 MJ/m2d no verão. Os rendimentos deveriam ser de no mínimo 1,9 e 3,8 L/m2d para inverno e verão, respectivamente.

Bezerra (2001) tem realizado estudos sobre o uso de destiladores solares para dessalinização de água salobra no Laboratório de Energia Solar (LabSol) na UFPB. Em seu trabalho ele já construiu um destilador com 60 m de comprimento. De acordo com ele, o Brasil tem grande potencial no uso da energia solar, devido as suas altas taxas de radiação e insolação, destacando ser a região Nordeste privilegiada nessa fonte energética.

Os vitrais dos destiladores duas águas devem sempre ter a orientação norte – sul, com uma das faces voltadas ao nascente e a outra ao poente, de modo a melhor aproveitar a incidência dos raios solares. A inclinação sugerida por Bezerra é de 20º. A produção dos destiladores pesquisados no LabSol variou de 1,9 kg/m2d em junho a 3,9 kg/m2d em fevereiro. A investigação desses rendimentos se deu entre os meses de janeiro e junho. A inovação nesse estudo foi adoção de filtro de brita na entrada do destilador para remoção dos sólidos e minimização do acúmulo de impurezas na base do equipamento. Essa alternativa tem possibilitado que o sistema opere por períodos mais prolongados sem necessidade da limpeza interna do destilador mais acentuada.

Bouchekima (2002), apresenta um estudo no qual a destilação solar é utilizada para dessalinização de água salobra de modo a suprir as necessidades de água para a população de áreas áridas no sul da Algeria.

O destilador usado nesse trabalho é do tipo filme capilar. As vantagens desse tipo de destilador em relação aos demais seria a recuperação de calor, visto que se usa o calor do vapor de condensação para aquecer outra quantidade de água. Os experimentos foram conduzidos no verão a uma temperatura ambiente de 40 ºC. A alimentação do equipame nto se deu com água subterrânea geotérmica cuja temperatura na fonte varia entre 65 e 75 ºC. A eficiência total dos sistemas de destilação solar é obtida pelo produto entre a eficiência da taxa de absorção da irradiação solar e a utilização da energia absorvida.

Segundo Bouchekima (2002), o modelo de filme capilar apresentou-se superior aos convencionais. Devido à alimentação com águas geotérmicas se conseguiu obter água destilada também à noite, aumentando o rendimento do equipamento.

Al-Hinai et al. (2002) fizeram uma investigação paramétrica entre um destilador solar de simples efeito e um de duplo efeito. No estudo, é descrito o uso de duas equações matemáticas para comparar as produtividades nos dois destiladores, além da determinação do ângulo de inclinação ótimo e da espessura do isolamento. Os modelos desenvolvidos além de acharem expressões para o balanço de massa e energia determinaram expressões para o cálculo das pressões de vapor, conforme visto nos Aspectos teóricos. O modelo computaciona l empregado indicou como inclinação ótima um ângulo de 23º com a horizontal e uma espessura de isolamento de 0,10 m com uma lâmina de água de 0,05 m. Além disso, foi realizada uma análise de custos para os dois modelos de destilador, a qual indicou que o destilador solar de duplo efeito pode produzir água destilada a custos até 15% menores que o convencional.

Ainda em 2002, em artigo apresentado por Saitoh e El-Ghetany é destacado o uso da radiação solar para desinfecção de águas residuárias. Apesar do trabalho não tratar de destilação solar, enfatiza a utilização dessa fonte energética na destruição de microorganismos. De acordo com o citado artigo, a residência de águas contaminadas por determinado tempo em bandejas a temperaturas superiores a 65 ºC, proporcionam uma pasteurização, inativando os microorganismos patogênicos.

De Paul e Quintana (2003) apresentaram o estudo do funcionamento não estacionário de um destilador solar. Essa pesquisa é inovadora, porque, para fins de simplificação se costuma admitir que os destiladores solares operam em regime permanente nos balanços de massa e energia e modelos matemáticos estimados. Para tanto, se reproduziram em

laboratório as condições reais de aquecimento do destilador solar. O aquecimento era elétrico e variava a corrente, de hora em hora, a fim de reproduzir as curvas de aquecimento da água observadas em destilador real funcionando num dia claro de inverno. Foram estudados diversos parâmetros a fim de determinar quais tinham mais influência no Destilado Total Diário (DTD). Foi verificado que a temperatura da água é o parâmetro que mais exerce influência, de modo que quanto mais alta é a temperatura máxima da água, maior é o DTD. Além disso, o coeficiente de transferência térmica convectiva (h) apresenta comportamento diferente do obtido nas condições de estacionariedade, com valores mais baixos a baixa temperatura da água e maiores a temperaturas mais altas, sendo que a dependência de h com a temperatura da água, sugere que próximo dos 45 ºC pode haver uma mudança no regime de circulação do fluxo no interior do destilador.

CAPÍTULO IV:

METODOLOGIA

4. Metodologia

A metodologia utilizada na realização do trabalho está dividida entre a coleta e conservação das amostras, materiais e métodos, projeto do equipamento, determinação do número de experimentos solares a serem conduzidos e dos modos de operação e modo de operação dos testes no banho termostático para simulação das temperaturas obtidas em campo e metodologia para cálculo dos rendimentos e coeficientes de transferência.

4.1 –Coleta e conservação das amostras

As amostras foram fornecidas pela PETROBRAS e são oriundas dos emissários submarinos da UTPF de Guamaré da UN-RNCE. As mesmas eram coletadas em recipientes plásticos com capacidade para 20 L e trazidas até Natal à temperatura ambiente. Aqui, elas eram conservadas em freezer a 4 ºC.

Na véspera do experimento, a amostra era retirada do freezer para que estivesse a temperatura ambiente na hora de começar a operação do equipamento.